一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置及方法

本发明属于工业气体分离，尤其是分离掺氢天然气领域，更具体地说，涉及一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置及方法。

背景技术：

1、随着国家经济的高速发展和对能源需求的日益增长，储气库将在油气消费、油气安全领域发挥更加重要的作用。储气库压力差异较大可以在低能源需求时期储存天然气，并在高需求时期释放供应，来平衡供需之间差异。储气库的容量大，地下储气库通常容量范围从数百万立方米到数十亿立方米，地上储气库是指将天然气储存在地上的容器和储罐中，容量范围可以从几千立方米到数十万立方米不等。储气罐的长宽比例大约为1:2，高度可达上百米。因此，储气罐的容量越大，可以存储的气体量就越多，存气的时间也会相应的延长。

2、掺氢天然气管道输送实现了氢气的大规模、低成本、长距离输送。但掺氢天然气分离出的氢气难以满足用户端对氢气量的使用需求，主要存在分离时间长、分离量小、效率低的问题，严重影响了氢气的规模化应用。蒸馏法是利用天然气中组分的不同沸点进行分离，通过在适当的温度和压力下，将天然气加热并进行蒸馏，该方法需要大量的热，对于工业级的分离方法，消耗较大。吸附法利用吸附剂对不同物质组分的吸附能力不同，将氢气和天然气分离，但是在储气罐中不利于利用吸附剂。膜分离法是利用半透膜对不同组分的选择性透过性进行分离，该方法消耗较大，分离量小，需要考虑膜的选择、使用时间长短和成本问题。

3、因此，有必要开发出一种新的分离掺氢天然气的方法，以克服现有技术中存在的相应问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置及方法，用于提高分离掺氢天然气的规模和效率，其具体技术方案如下：

2、本发明首先提供了一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，包括掺氢天然气管网、掺氢天然气储气罐、氢气管道、天然气管道、氢气储气罐、天然气储气罐、控制系统、氢浓度传感器阵列、压力传感器；掺氢天然气管网连接位于掺氢天然气储气罐下侧的掺氢天然气进气口，掺氢天然气储气罐上设有氢气出气口和天然气出气口，氢气出气口通过外界上部的氢气管道连接氢气储气罐，天然气出气口通过外界下部的天然气管道连接天然气储气罐，氢气管道上安装氢气开关阀，天然气管道上安装天然气开关阀；掺氢天然气储气罐的内腔中安装有氢浓度传感器阵列及压力传感器，掺氢天然气储气罐的外部设有控制系统，氢浓度传感器阵列、压力传感器、氢气开关阀、天然气开关阀分别与控制系统连接，形成控制回路。

3、通过采用上述技术方案，本发明设计了一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，可以有效的分离工业级的掺氢天然气，成本低，装置简单，能够提高分离掺氢天然气的规模和效率。

4、进一步地，氢气储气罐作为二级掺氢天然气储气罐，其上设有二级掺氢天然气进气口、二级氢气出气口以及二级天然气出气口，同时氢气储气罐内腔中安装有第二套氢浓度传感器阵列及第二套压力传感器，二级氢气出气口通过外界上部的二级氢气管道连接二级氢气储气罐，二级天然气出气口通过外界下部的二级天然气管道连接天然气储气罐，二级氢气管道上安装二级氢气开关阀，二级天然气管道上安装二级天然气开关阀；第二套氢浓度传感器阵列、第二套压力传感器、二级氢气开关阀、二级天然气开关阀也分别与控制系统连接，形成控制回路。

5、进一步地，氢气出气口设于掺氢天然气储气罐的顶部，天然气出气口设于掺氢天然气储气罐的底部；二级氢气出气口设于氢气储气罐的顶部，二级天然气出气口设于氢气储气罐的底部。

6、进一步地，氢浓度传感器阵列及第二套氢浓度传感器阵列均对应包括多个氢浓度传感器，多个氢浓度传感器规则排列形成阵列，并设置在对应掺氢天然气储气罐及氢气储气罐的内腔中上部位置。

7、进一步地，掺氢天然气储气罐及氢气储气罐的顶部设置为圆柱形、球形或锥形。

8、本发明还提供了一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离方法，包括进气过程、静置分层过程、出气过程；

9、进气过程：打开掺氢天然气储气罐的掺氢天然气进气口，关闭氢气开关阀和天然气开关阀，掺氢天然气管网输送的掺氢天然气充入掺氢天然气储气罐；压力传感器监测掺氢天然气储气罐内的压强，压强达到求要后控制系统控制关闭掺氢天然气进气口，停止输送掺氢天然气；

10、静置分层过程：关闭掺氢天然气进气口，关闭氢气开关阀和天然气开关阀，在同温同压下，由于重力作用氢气上浮、天然气下沉，出现气体分层现象，氢浓度传感器阵列监测中上层氢气浓度；

11、出气过程：当掺氢天然气储气罐内上下层气体浓度达到设定要求后，分层完成；关闭掺氢天然气进气口，并打开氢气开关阀和天然气开关阀，掺氢天然气储气罐内的上层氢气输送至氢气储气罐，下层天然气输送至天然气储气罐；最后，关闭氢气开关阀和天然气开关阀，再打开掺氢天然气进气口，再次向掺氢天然气储气罐充入掺氢天然气，重复进气、静置分层、出气的循环过程。

12、进一步地，出气过程中，输送至氢气储气罐内的气体继续进行二次静置分层过程，当氢气储气罐内上下层气体浓度达到设定要求后，分层完成；关闭二级掺氢天然气进气口，并打开二级氢气开关阀和二级天然气开关阀，氢气储气罐内的上层氢气输送至二级氢气储气罐，下层天然气输送至天然气储气罐；最后，关闭二级氢气开关阀和二级天然气开关阀，再打开二级掺氢天然气进气口，再次向氢气储气罐充入掺氢天然气，重复二级进气、二次静置分层、二次出气的循环过程。

13、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

14、相比于传统的分离掺氢天然气的方法，本发明利用了物理分离的方法，氢气的密度大约是天然气密度的1/8，氢气密度远低于天然气密度，利用氢气密度小，氢气上浮，天然气密度大，天然气下沉的特点，在储气罐中进行掺氢天然气分层，储气罐中装有氢浓度传感器阵列用来检测氢气浓度，装有压力传感器用来检测储气罐内的压强。氢气通过氢气出气口、氢气管道、氢气开关阀流向氢气储气罐，天然气通过天然气出气口、天然气管道、天然气开关阀流向天然气储气罐。本发明装置利用掺氢天然气储气罐容量大和存气时间长的特点，掺氢天然气分离量大，因此属于工业分离掺氢天然气，提高了分离掺氢天然气装置的规模和效率。

15、同时，与其他分离掺氢天然气的方法相比，本发明装置还进一步通过设置多级分离装置，实现高浓度氢气的提取。即，如果第一次分离还存在氢气浓度不高的问题，可以通过二次利用重力分离混合气体，以便于达到高浓度的氢气，该方法可以更有效地提高分离掺氢天然气的规模和效率。

技术特征：

1.一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，其特征在于，包括掺氢天然气管网、掺氢天然气储气罐、氢气管道、天然气管道、氢气储气罐、天然气储气罐、控制系统、氢浓度传感器阵列、压力传感器；掺氢天然气管网连接位于掺氢天然气储气罐下侧的掺氢天然气进气口，掺氢天然气储气罐上设有氢气出气口和天然气出气口，氢气出气口通过外界上部的氢气管道连接氢气储气罐，天然气出气口通过外界下部的天然气管道连接天然气储气罐，氢气管道上安装氢气开关阀，天然气管道上安装天然气开关阀；掺氢天然气储气罐的内腔中安装有氢浓度传感器阵列及压力传感器，掺氢天然气储气罐的外部设有控制系统，氢浓度传感器阵列、压力传感器、氢气开关阀、天然气开关阀分别与控制系统连接，形成控制回路。

2.根据权利要求1所述的一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，其特征在于，氢气储气罐作为二级掺氢天然气储气罐，其上设有二级掺氢天然气进气口、二级氢气出气口以及二级天然气出气口，同时氢气储气罐内腔中安装有第二套氢浓度传感器阵列及第二套压力传感器，二级氢气出气口通过外界上部的二级氢气管道连接二级氢气储气罐，二级天然气出气口通过外界下部的二级天然气管道连接天然气储气罐，二级氢气管道上安装二级氢气开关阀，二级天然气管道上安装二级天然气开关阀；第二套氢浓度传感器阵列、第二套压力传感器、二级氢气开关阀、二级天然气开关阀也分别与控制系统连接，形成控制回路。

3.根据权利要求2所述的一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，其特征在于，氢气出气口设于掺氢天然气储气罐的顶部，天然气出气口设于掺氢天然气储气罐的底部；二级氢气出气口设于氢气储气罐的顶部，二级天然气出气口设于氢气储气罐的底部。

4.根据权利要求2所述的一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，其特征在于，氢浓度传感器阵列及第二套氢浓度传感器阵列均对应包括多个氢浓度传感器，多个氢浓度传感器规则排列形成阵列，并设置在对应掺氢天然气储气罐及氢气储气罐的内腔中上部位置。

5.根据权利要求2所述的一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置，其特征在于，掺氢天然气储气罐及氢气储气罐的顶部设置为圆柱形、球形或锥形。

6.一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离方法，其特征在于，包括进气过程、静置分层过程、出气过程；

7.根据权利要求6所述的一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离方法，其特征在于，出气过程中，输送至氢气储气罐内的气体继续进行二次静置分层过程，当氢气储气罐内上下层气体浓度达到设定要求后，分层完成；关闭二级掺氢天然气进气口，并打开二级氢气开关阀和二级天然气开关阀，氢气储气罐内的上层氢气输送至二级氢气储气罐，下层天然气输送至天然气储气罐；最后，关闭二级氢气开关阀和二级天然气开关阀，再打开二级掺氢天然气进气口，再次向氢气储气罐充入掺氢天然气，重复二级进气、二次静置分层、二次出气的循环过程。

技术总结
本发明属于工业气体分离，尤其是分离掺氢天然气领域，公开了一种利用重力进行工业级掺氢天然气的分离装置及方法，分离装置包括掺氢天然气管网、掺氢天然气储气罐、氢气管道、天然气管道、氢气储气罐、天然气储气罐、控制系统、氢浓度传感器阵列、压力传感器。本发明利用物理分离的方法，利用氢气密度小，氢气上浮，天然气密度大，天然气下沉的特点，在储气罐中进行掺氢天然气分层，实现了高浓度氢气的提取。并且，本发明装置利用掺氢天然气储气罐容量大和存气时间长的特点，掺氢天然气分离量大，提高了分离掺氢天然气装置的规模和效率。

技术研发人员：贾冠伟,薛凯峰,李阳,张子扬,张培玉,吕浩杰
受保护的技术使用者：河南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24